智能汽车竞赛技术报告(节选)

　　摘要：针对智能车竞赛中传感器信号处理设计安装、底盘参数选择、电路设计、HCS12控制软件主要理论、控制算法等方面进行阐述，并列出了模型车的主要技术参数。

第五届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛在原有CCD组和光电组基础上增加了电磁组，以100mA的交变电流为赛道，自主开发检测传感器，检测赛道信息。鉴于电磁组与光电、CCD在检测方法上有本质的不同，我们在传感器设计上采用电感线圈检测磁场，通过在多个点布置不同方向的检测传感器获取赛道信息，利用所获取的信号进行处理，实现对赛车转向、速度进行控制。同时，我们利用前几届比赛积累下的经验，继续加强在电源管理、噪声抑制、驱动优化、整车布局等方面的研究工作，使智能车能够满足高速运行下的动力性和稳定性需求，获得了良好的综合性能和赛场表现。

　　整车设计思路

控制系统

智能车的工作模式如图1所示：电磁传感器获取赛道某点电磁特性，信号输入到S12控制核心，进行进一步处理以获得赛道信息;通过光电编码器转速传感器检测车速，并采用S12 的输入捕捉功能进行脉冲计数计算车速和路程;通过片上AD检测电池电压;舵机转向采用分段PID控制;电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的功率。

整车布局

鉴于赛车和赛道的特点，并且车模不变，今年在整车布局上仍延续基本布局的思路，采用低重心紧凑型设计，并架高舵机以提高响应速度。为调整整车重心位置，采用碳杆支撑电磁传感器，减小转动惯量。 在降低整车重心方面采用了低位主板的布局，同时设计了强度高质量轻的电磁传感器安装架，减轻信号采集电路板重量，降低电池架高度，降低赛车前方底盘高度，如图2。

　　电磁组主要特点

1. 传感器信号为模拟值

电磁组需要检测的信号为大小100mA，频率为20KHz的方波信号，赛道由导线铺成，导线周围分布着交变的电磁场，由于赛道的各种形状，使得磁场发生叠加，不同的赛道形状形成不同的特征磁场，如下图为十字线附近的磁场。赛道信息相对于传统黑白线具有信号可以提供模拟信息的优势，我们利用电磁赛道这种优势，完善小车控制算法，达到了较好的控制效果。

2. 传感器信号具有方向性

磁场是矢量，在空间的分布为具有方向性，所以传感器检测到的信号也具有特定的方向性。在实际检测的时候发现，不同方向传感器的变化规律有很大的不同，这也和磁场的分量变化规律相一致。比如，磁场垂直分量变化的比较早，但是受相邻赛道的影响较大，而磁场的水平分量恰好相反。

　　硬件设计

传感器方案

磁场检测传感器

使用10mH电感和6.8nF电容并联谐振，来感应20kHz的磁场信号，经放大电路放大后，得到正弦波，再用AD采样，得到正弦波的峰值，以判断传感器离导线的距离，从而定位导线。由于官方给出的三极管放大电路不易调节放大倍数，检波电路信号变化速度较慢，我们决定使用运放放大直接由AD采样。电路图如图4。运放使用了TL082双运放，能够将信号放大几千倍，可以满足探测的需要。电磁起跑为并排放置的3000gauss的磁铁，经过对霍尔传感器和干簧管的试验，最终选择使用干簧管做起跑检测，以达到较高的检测精度和较大的检测距离。

传感器的布局

电磁传感器测出的信号为当前所在位置的某个方向的磁场信息，所以传感器的布局至关重要。通过实验发现，当传感器相距较大，视角宽，得到的赛道信息量大。所以，采用尽量架宽主要传感器的方式，以获得丰富的赛道信息，并且提前预知赛道形状。

　　主板电路设计

主板上主要包括电源模块、电机驱动、信号检测电路、各模块的接口。

信号检测电路

多个传感器的信号接到主板上后，通过模拟开关CD4051芯片选通，然后输出给单片机AD进行采样，框图如图6。模拟开关使用性能优良的CD4051芯片，8路信号输入，电路图如图7。

　　赛道识别

传感器的布局方案为车的赛道识别提供了一定的前瞻，软件的设计方案就要利用好这样的前瞻，更早地识别赛道变化情况，提高行进速度。同时，除了前瞻以外，还需要考虑车前方近处的赛道情况。综合考虑二者的情况，给出的赛道识别信息，可以同时满足远处和近处的要求，实现在“S”形弯道尽可能直冲、弯道切内线并且提前转向的效果。

此外，还需要对于一些特殊情况进行特殊的处理。首先，是十字线的处理。从图3中可以看到，在前瞻较大的时候，十字线的磁场分布与正常的九十度弯道非常类似，容易出现忽略十字线直接转向的情况。进入十字线之后，内侧的磁场与螺线管类似，远大于外侧的磁场，容易出现内切过大的情况。为此，我们在十字线附近